微电子技术的进展与展望

　　1引言

　　自1947年12月第一只晶体管在美国贝尔电话实验室诞生以来，微电子科学日新月异，以惊人的速度飞速发展，在至今不到50年的历史中，经历了晶体管、集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路四个发展阶段，把人类社会带入了以微电子为标志的电子时代和以此为基础的信息时代，成为当今最活跃的生产力。

　　当今世界新技术革命的核心是电子信息技术，电子信息技术的基础是微电子技术，电子工业如何发展主要取决于微电子技术的发展。因此，在某种意义上说，谁拥有微电子技术的优势，谁就掌握了21世纪的主动权。本文从三个方面讨论国际微电子技术发展的势态，并结合我国的实际情况，分析我国微电子技术的现状与发展。

　　2微电子工业生产的现状与趋势

　　2.1 国际微电子工业生产的现状与趋势

　　过去10年，全球微电子工业的年平均增长率为15%，而最近5年.发展更加迅速，1994年增长率超过28%，1995年的增长率至少将达到40%。美国半导体工业协会（SIA)曾估计1996年全球微电子产品的总销售额将达到1000亿美元，2000年达到2000亿美元。而实际上1994年已经超过1000亿美元，达到1097亿美元。1994年世界十大微电子公司排名如表1，Intel公司突破100亿美元，约占全球微电子产值的十分之一；日本进入十大公司的最多，占了5家；三星公司增长最快，增长率达61%。

　　特别应该指出的是微电子市场日趋东方，产销地理日益转向亚太地区。过去10年，亚洲地区（日本除外）微电子的增长率高出全球平均水平10个百分点。1994年则达到63%，增长速度是世界平均值的3倍（1994年微电子工业增长率：日本28%，美囯22%，西欧27%)。其中南韩尤为突出，金星、现代两大公司增长率高达90%。1994年亚洲（日本除亚太地区微电子工业的高速发展，使得微电子产销地域结构发生了很大的变化。进入九十年代以来，微电子市场由美、日瓜分逐渐过渡到美国、日本、西欧、亚太四方平分秋色的局面。例如，打开当前所有的微型计算机，几乎全是清一色的“美国CPU”、“日本、南韩RAM”和“台湾主机板”。亚太微电子占全球市场的份额由1983年的8%上升到1993年的19%，与西欧持平。预计亚太微电子消费与生产份额1995年将全面超过西欧，在本世纪末将超过日本而居世界第二，仅次于北美。2.2我国微电子工业生产的状况。

　　目前，我国微电子企业约有340家，其中集成电路企业24家，分立器件310多家，外资企业和中外合资企业近10家。如果加上半导体材料、微电子设备、仪器生产厂家以及微电子研究所、集成电路设计中心，总数超过400家。全行业人数约23万人，比美国多1万人，是世界上微电子从业人数最多的国家。1994年我国微电子产量突破100亿只大关，达110亿只。其中分立器件107.8亿只，集成电路2.18亿只，总产值80多亿元。估计1995年集成电路可达3亿只，分立器件达125亿只。

　　我国微电子工业的生产现状存在如下4个特点。

　　(1) 生产规模小。1994年全行业产值仅占全球微电子产值的1%，不及Intel公司年收入的十分之一。

　　(2) 产品档次低。集成电路与分立器件的比重长期处于倒三角关系。分立器件中的高频、高速、大功率器件十分短缺，分立器件工业实质上是二极管工业。集成电路企业则几乎不生产目前国际上的主流产品，如MOS存储器、MOS微机元件、MOS专用电路等产品国内目前几乎空白。产品结构严重偏离“信息化”走向，长期集中于模拟类电子产品、双极模拟产品占总产量的70%以上。

　　(3) 劳动生产率差。就全行业1993年统计数据平均值比较，大约是美国的2%。

　　(4) 贸易赤字巨大。我屆长期以来存在着“低出高进”的局面，出口多为低档品。现在出口的分立器件在数量上开始超过进口量，例如1994年出口约34亿只，进口则仅23〜28亿只。但出口的大多是二极管和低档晶体管，进口的则多为微波器件、功率器件，因此在金额上是赤字。集成电路仅有少量出口，无论在数量上还是在金额上均全面赤字。

　　3硅微电子技术的进展与展望

　　硅材料具有极高的纯度和完整性，是目前最完美、了解最为透彻的材料。硅器件在微电子的发展中一直保持其统治地位，在当今微电子工业的所有基片中，硅约占98%。

　　3. 1集成电路

　　存储器和微处理器是微电子发展的两大动力，其技术水平亦为整个集成电路技术发展水平的标志。目前又有三个新领域FPGA(现场可编程门阵）、混合信号器件及DSP(数字信号处理器）正在飞速发展。

　　在集成电路产品中，占主导地位的仍是存储器，其密度基本上是每三年翻两番。目前市场上最新一代产品是0.5技术的16MDRAM(动态随机存储器），南韩占有70%的市场。1995年将有64MDRAM和16MSRAM(静态随机存储器）投入生产，预计2001年有1GDRAM问世。在研究方面，在1995年的ISSCC(国际固态电路学术会议）上，日本的NEC公司和HITACHI公司同时宣布研制成功1GDRAM0NEC采用0.25CMOS工艺，芯片面积2.5X3.6cm2,集成有11亿个晶体管和11亿个电容。曰本的东芝和南韩的三星公司宣布联合开发FLASH64MSRAM,采用0.4j^mCMOS工艺，预计1的6年将其开发成果应用于生产。

　　微处理器（MPU)是集成电路产品的另一主流，占市场份额最大的是Imel微处理器系列。1993年Intel公司推出了0.8BiCMOS的Pentium(奔腾）MPU芯片（80586芯片），1995年3月又推出了含有550万个晶体管的P6MPU芯片，采用0.6frni四层金属CMOS工艺。RISC(精简指令集）MPU是当前的主流。NEC的32位RISC微处理器可能是速度最快的，它采用了0.4/un三层金属CMOS工艺，主频500MH%1995年美国的HP和MIPS公司与日本的NEC先后推出了64位乒ISC微处理器，采用0.35四层金属CMOS工艺。

　　全球通讯的发展为DSP(数字信号处理器）的发展提供了好机会。DSP用于数字与模拟技术混合的领域，主要作语言和图象处理，广泛应用于数字化移动通信、FAX、语言识别、数据压缩和调制解调等方面。80年代MPU对计算机工业产生了很大的影响，90年代DSP必将对通讯技术产生重大影响。美国TI公司1994年初推出的TMS320C80兼有四个DSP和一个超高速大容量RISC的功能。其处理速度比当前功能最强的PC处理器快5〜10倍。

　　3.2工艺技术

　　微电子技术的发展主要归功于工艺技术的进步。硅工艺技术的进展主要体现在光刻技术、刻蚀工艺、多层布线和互连技术等方面。

　　微电子工艺技术发展的一个重要标志是集成度的增长。1975年，GordonMoore在iedm会议（国际电子器件会议）上提出了集成电路发展规律是每年集成度翻一番，并预测1980年后，由于电路技巧对改进影响减小，将使集成度变成每两年翻一番。实际上DRAM的发展已经超出了Moore的预测，达到每三年翻两番，而且这种趋势还会继续下去，到2007年DRAM将达到16G。相比之下，逻辑电路增长速度比RAM慢一些，每三年翻不到一番，到2007年将达到每片集成5000万个晶体管。

　　集成电路特征尺寸的缩小主要依赖于刻蚀工艺和光刻技术的进展。特征尺寸基本上是以每两代（6年）减小一倍的速度向前发展。1995年虽然大部分生产仍是0.5〜0.6pm,但0.35的技术已经进入生产阶段。许多大公司已经开始0.25工艺的实用化研究，估计1998年会进入生产阶段。VLSI刻蚀工艺最佳选择当推RIE(反应离子刻蚀）和超高频腐蚀。为避免RIE存在的对器件损伤和沾污等问题，磁控RIE，电子回旋共振、离子束腐蚀和光致腐蚀技术正在积极开发之中。RIE腐蚀技术现在已经具有刻蚀0.1fnn多晶硅条的能力，因此最关键的是光刻技术。光刻技术发展的趋势是由i线（波长0.365fim)、深紫外线（DUV)、到X射线。现在DUV和i线移相完成0.35fim加工是可以的，但要实现2001年0.18/an、2007年0.10pm的加工能力，X射线光刻和电子束光刻应当列为优先发展的技术。

　　三维结构和多层布线是集成电路发展的趋势。多层布线需要考虑费用、最大互速密度、电学性能和可靠性。线宽小于0.35ym时，多层布线技术同材料技术的发展密切相关。在未来的集成电路中，互连技术的重要性越来越突出。随着特征尺寸的减小，互连线引入的延迟已经成为不可忽略的因素。例如，当特征尺寸为0.35pm时，引线引入的延迟时间几乎与门电路的延迟时间相当。另外，解决不了互连的问题，器件再小，集成度也上不上。

　　在目前的生产中，四层0.5pm—代的互连技术已经成熟使用，‘正在开发0.35fzm五层技术。到2001年，互连层将达六层以上。

　　3.3器件及其结构

　　以硅为基础的CMOS在可以预见的未来仍将是集成电路的主流工艺。1998年利用CMOS工艺生产的集成电路产品将占集成电路总产值的83%„CMOS的传统双阱结构也不会有太大的变化，MOS器件的按比例缩小规则估计在0.1以上还是适用的，但对小于0.l^m的器件是否仍然适用有待进一步研究。

　　低压器件是集成电路发展的必然趋势，这不仅是便携式的需求，也是器件尺寸的缩小及集成度提高的要求。当特征尺寸进入深亚微米时代，过去标准5伏电源的时代将结束。

　　3.4伏器件已成为新的工业标准器件（用0.35fmi设计的电路基本上采用3.3伏电源）。在今后3〜5•年内，3伏系统将成为标准。而在不远的将来，器件电源将降至1伏。低功耗器件是器件发展的潮流。现在的芯片具有百万门的复杂性和高度的并行结构，几乎没有空闲的时候，即使用较低的工作电压，多个并行操作也会使功率上升至30〜40瓦。随着集成度的进一步提高，功耗问题将越来越突出。低功耗器件要求的技术，不仅是降低工作电压和缩小器件尺寸，还包括材料、工艺技术、电路、设计工具和系统等。要使器件能在降低功耗和提高性能方面齐头并进，必须在影响功耗的五个主要领域：1C工艺、电路设计、处理器结构、算法实现和系统设计中同时推进。

　　SOI被认为是21世纪的硅技术。估计到本世纪末，（)•18^m工艺SOI将成为主流工艺。日本NTT已利用0.2pmCMOS/SOI(SIMOX)研制出门阵列样品，其功耗仅为0.5/mi的十分之一，而集成度则是它的10倍，在2伏工作电压下未负载门延迟时间为45PS，预计该工艺将在2000年用于芯片生产。SOI技术对于实现高速、低功耗、高密度、高可靠性集成电路具有极大的发展潜力，与体硅CMOS相比具有完全消除了栓锁效应、抗辐射能力强等优点。但SOI成本高，这个问题正在解决中。

　　3.5我国微电子技术发展概况

　　进入九十年代以来，我国微电子技术取得了较大的进展，但总体水平还很低，与国际先进水平相比还有较大差距。我国集成电路技术落后国际水平15年左右，预计我国1.2nm/6英寸技术1996年才能形成批量生产，而国际上0.35frni/8英寸的生产技术已经成熟。我国分立器件落后国际水平10年左右。这种总体格局在今后较长一段时间内将始终保持几乎等差距的发展走向。

　　目前，我国集成电路批量生产技术水平达2〜5/xm/3〜5英寸，大生产技术开发水平为1〜1.5Mm。确定了以华晶电子集团公司、华越微电子有限公司、上海贝岭微电子制造有限公司、上海飞利浦半导体公司、首钢日电电子有限公司等5家企业作为推进和确立微细加工技术和生产技术的带头骨干企业。1995年上海贝岭和首钢日电1.2/im生产线投产，华晶2fj.m生产线提升到1.2〜1.5^11。1996年华晶和上海飞利浦可望有()•8〜1pm产品面市。

　　科研方面，集成电路科研水平达0.8〜1fmi。华晶电子集团公司用标准l/im工艺生产出硅栅CMOS产品FCT245，中国科学院微电子中心成功开发出0.8工艺。分立器件由于全离子注入、干法工艺、亚微米光刻、分子束外延（MBE)、金属有机化学汽相沉积(MOCVD)等先进工艺棱术研究取得明显进展并在科研和新产品开发上得到应用，从而使我国分立器件的加工线宽进入亚微米领域。一些微波、毫米波器件的科研水平接近了国际同类产品水平。

　　电子工业部规划“九五”末，我国微电子水平与国际先进水平的差距将从目前落后三个发展阶段相差15年缩短至二个发展阶段相差10年以内。2000年集成电路产量达10亿块，年开发品种能力达500种，工业化生产水平达0.8〜1fmi，投入生产水平达0.5〜0.6pm，研究开发水平达0.3〜0.4pm。

　　微电子技术的现状与发展

　　硅微电子在产业规模和集成度方面是微电子的主流。微电子另一分支是以化合物半导体GaAs为基础的微电子，虽然它在产业规模上比硅微电子差两个数量级，集成度也有较大差距，但与硅相比，GaAs具有两个明显的优点，即电子漂移速度更快（比硅快约7倍）和抗辐射能力更强。特别适合制作高速、高频器件以及在军事、宇航等恶劣环境中工作的器件。因此，在八十年代中期，美国、日本等发达国家便开始转入GaAs与Si并重的开发研究轨道。特别是进入九十年代后，由于高速信息传输和处理的需要正向商用化方向发展，世界各国在发展硅微电子的同时，都充分注意GaAs微电子的发展，把它放在战略地位来考虑。

　　目前，GaAs微电子的主要器件是GaAs金属半导体场效应晶体管（MESFET)、高电子迁移率晶体管（HEMT)和异质结双极晶体管（HBT),其中HEMT、HBT已成为GaAs基IC的发展主流。GaAs微电子蓬勃发展始于1974年美国HP公司和英国Plessey公司研制成功第一个GaAsMESFET数字集成电路和第一个微波毫米波单片集成电路(MIMIC)放大器。进入九十年代，GaAs微电子由研制转为产业发展，在以超高速集成电路（VHSIC)为主的数字电路和以MIMIC为主的模拟电路两方面都取得了很大的进展。

　　4.1 GaAs超高速集成电路（VHSIC)

　　GaAsVHSIC技术水平已达到0.3fmi/4英寸，门阵列30万门，速度已达Gb级以上。

　　GaAs基VHSIC有三大类：光通信用高比特集成电路、千兆赫逻辑电路、高速静态随机存储器。（1)光通信GaAs集成电路的速率已超过10Gb/S;利用AlGaAs/GaAsHBT技术研制的选择器、宽带前放等电路可工作在40GHz。(2)千兆赫速度信号处理电路是雷达、电子对抗、计算机、卫星通讯设备提高速度的关键。利用GaAsMESFET工艺已研制出可在100MHz工作的RISC微处理芯片；利用GaAsHBT技术实现了分辨率为6位的ADC芯片，采祥速率达4Gb/s;利用GaAsHBT技术研制的4分频器的工作频率已达34.8GHz。(3)超高速计算机用的GaAsSRAM1991年采用0.5funHEMT技术实现了64K,存取时间1.2ns，功耗5.9W;1994年已研制成功30万门的门阵，目前正在向50万门进军。

　　4.2微波毫米波单片集成电路（MIMIC〉

　　MIMIC电路是武器系统的“鼻、耳”，所以在频谱方面的发展最明显，频率已进入D波段。MIMIC的工艺已达0.1fxm/3英寸。器件研究的进展主要表现在毫米波电路、宽带、功率和宏单元四个方面。（1)毫米波电路是MIMIC研究中最活跃的领域，利用EMT技术已研制出进入D波段的单片低放，增益达12dB;三端器件集成电路工作频率已突破100GHz。（2)电子对抗用MIMIC电路也有很大发展。利用0.1/imlnPHEMT技术研制出5〜100GHz、5.5dB增益的分布放大器，以及汴〜100GHz、8dB级联低放。宽带应用的子系统已出现覆盖6〜18GHz多功能平面相控阵T/R模块（用于相控阵雷达）。(3)功率MIMIC在S、C波段输出功率已由八十年代末的8〜10W上升到目前20W的水平。采用0.5fxm具有超晶格缓冲层的MESFET技术，研制成功3〜6GHz、输出功率达22W、增益10〜13.5dB、效益23%〜35%的功放。（4)MIMIC电路由独立功能微单元电路向能进行简单信号处理的宏单元电路发展，已研制成功微波与数字电路的集成以及微电子和光电子的集成等多种宏单元电路。总之，MIMIC在武器系统的前端将发挥其不可替代的作用。

　　4.3我国GaAs微电子的现状与发展

　　目前，我国GaAs1C的研究水平，就其参数来说，大体上和国际上八十年代中期的水平相当。（1)分立器件、低噪声器件的差距较小，功率器件的差距较大。GaAsHBT和InPHEMT器件处于样品研制阶段，工作频率达30GHz，目前正向实用化方向发展。三端PHEMT器件突破8mm频段，8mmPHEMT功率器件达到130mW。（2)MMIC电路仍处在实验研究阶段，远未达到批量生产的程度，两端MMIC已进入毫米波段，三端MMIC尚未突破毫米波段。（3)VHSIC在集成度和性能上都与国际水平相差较大，尚未达到实用化。已研制成功GaAsVHSIC样品，可工作在500MHZ以上的门电路、门阵列、ADC、DAC。门阵列电路达2000门。目前，我国GaAsIC正处于从混合集成为主向单片集成转化的阶段，主流仍然是用分立器件做混合集成电路。